基于VDI2230规范的螺栓评估(上)

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了VDI2230规范，包括Part1和Part2两部分，是针对高强度螺栓连接计算的公认标准。Part1主要针对单螺栓问题，Part2针对多螺栓的载荷分布及应力问题。Bolt Assessment inside ANSYS是在ANSYS软件WB界面下，基于德国VDI 2230规范开发形成的螺栓分析评估工具。该工具可以更精确地计算螺栓的荷载，并能够评估螺栓的各种强度安全因子。

一、写在前面

【螺栓评估准则】：VDI2230（高强度螺栓连接系统计算）规范是德国工程师协会负责编写整理，包括Part1及Part2两部分，是目前针对高强度螺栓连接计算的公认标准，从理论上阐述了力、力矩以及变形之间的关系，目前已有超过40年的实际应用。

其中Part1主要针对单螺栓问题，Part2针对Part1中很难确定的多螺栓的载荷分布及应力问题，提出了针对多螺栓（MBJ）分析计算的方法（刚体力学，弹性力学），同时引入有限元法，介绍了针对螺栓连接的数字法应用。

1、适用范围：

•   钢制螺栓；

• 60º牙型角螺纹；

•  高强度螺栓（8.8~12.9级或70和80级）；

•  尺寸范围从M4-M39；

• 有限范围的接触区域（尺寸G）；

•   相关材料性能（A1-A4、A6、A7、A9、A11和A12）仅在环境温度下适用。

2、假设条件：

无极端应力（如腐蚀、冲击等）；

手动计算假设横截面始终保持为平面。

【螺栓评估工具】：Bolt Assessment inside ANSYS是基于VDI2320规范和有限元法的螺栓评估工具，在ANSYS软件WB界面下开发，解决工程师单纯依靠规范人工手动计算时，有些参数无法直接给出，多螺栓评估困难，计算复杂容易出错，计算步骤多效率低下以及计算结果可视化等问题。二、VDI2230规范概述螺栓连接可以分为单螺栓连接和多螺栓连接，VDI2230 part1适用于评估单螺栓连接。因此针对多螺栓（MBJ）问题，需要确定最高承载螺栓，并将其从整体模型中分离出来。

二、VDI2230规范概述

VDI 2230（2014版，Beuth Verlag）的part2 进一步解释了多螺栓连接的系统计算。除分析计算方法外，本部分还提出了VDI2230 part1中使用有限元模拟结果进行螺栓评估的适用方法。

详细计算步骤请参见VDI 2230 Part1及Part2规范详细讲解。

三、Bolt Assessment inside ANSYS软件介绍

• 等效横截面梁模型，只有一条线。

• 不同横截面梁模型，可以有几条线。

④ 实体螺栓

螺纹区域与螺母或者盲孔区域必须采用绑定接触。其他接触（螺栓头/螺母承压区域、交接面处）采用摩擦接触。

• Step1：螺栓预紧力

• Step2：外载

• Step1：螺栓预紧力

• Step2：嵌入（计算因嵌入引起的预紧力损失）

• Step3：外载

• 螺纹摩擦系数：影响计算工作应力中的剪应力的值，缺省值是0.1。
• 承压面摩擦系数：在给定预紧力时，影响预紧力矩的计算，缺省值是0.1。
• 螺母支撑摩擦系数：在给定预紧力时，影响预紧力矩的计算。
• 极限表面压力（螺栓头）：螺栓头接触表面的极限表面压力，缺省值是630（MPa）
• 极限表面压力（螺母）：螺母接触表面的极限表面压力，缺省值是630（MPa）
• 载荷循环次数：疲劳极限载荷循环次数（N>2*10^6）或者耐久极限（N>10^4 ）。缺省值是2* 10^6。
• 缩减系数：用于计算工作应力。

• 计算安全因子是否考虑MSA（附加弯矩的影响）。

4）评估结果的显示：

SF：抵抗屈服强度的安全因子

SD：抵抗疲劳的安全因子

SGstd：抵抗滑移的安全因子

SGwt：抵抗滑移的安全因子（无扭转）

5）计算报告：基于规范，进行螺栓评估和分析的中间数据和过程将通过报告自动生成得到，以供校核和评审使用。

四、Bolt Assessment inside ANSYS与VDI2230 part1手动计算过程对比说明

1、Bolt Assessment inside ANSYS未直接考虑VDI2230 part1 step0-7,推荐用户分别执行最大预紧载荷及最小预紧载荷进行两次分析。其中允许的最大预紧载荷可以基于VDI2230 part1 Tables A1-A4获取。最小预紧载荷可以基于最大预紧载荷及预紧因子进行计算。螺栓及被夹紧件的柔度不需要计算，因为刚度的影响已经包含在有限元模型中。校核螺栓的各种强度安全因子后，如果不通过，重新设计，迭代循环完成螺栓设计和校核。

2、R8：计算抵抗屈服的安全因子，

采用模型中提取的预紧力Fv替换。可以考虑附加弯矩的影响。假定横向力和扭矩是通过界面摩擦传递的，因此，附加扭矩和横向力不用于计算安全系数SG。然而，拧紧产生的扭矩参见VDI2230 part1的方程式（153）进行考虑，相应的扭转应力折减系数默认设置为0.5。用户可以更改此值。

3、R9：计算抵抗疲劳的安全因子。根据选定的两个载荷步计算应力幅值，螺栓杆中附加弯矩的影响根据VDI 2230 part2，当计算后轧制螺栓的疲劳安全因子的疲劳极限时，假设平均螺栓载荷等于。

4、R10：计算螺栓头和螺母承压面抵抗压力的能力。假定夹紧部件的外径大于螺栓头的直径。用于计算压力的力是螺栓的总轴向力：。如果。

6、R12：计算抵抗滑移的安全因子，软件中可以采用两种方式计算

① 采用KISSsoft求解器进行计算，并输出到计算报告中。

五、Bolt Assessment inside ANSYS 优势于VDI2230 part1手动计算的核心点

• 多螺栓各螺栓通过的载荷大小和具体载荷分配数值，可以基于螺栓非线性接触，Bolt Assessment inside ANSYS自动提取各螺栓旁路载荷和钉载载荷

• 同轴紧固螺栓连接的弹性回弹力计算，计及螺栓变形情况，导致的圆锥体角度不恒定

• 偏心紧固螺栓连接载荷因子和载荷系数计算中，极限直径 DA,Gr的取值，Bolt Assessment inside ANSYS可以自动获取

• R10计算螺栓头和螺母承压面抵抗压力的能力。采用有限元计算结果接触处理，结合规范评估。

• R12计算抵抗滑移的安全因子，直接采用Bolt Assessment inside ANSYS计算，结果更精确，再结合规范评估。
  

以上是仿真秀专栏作者王庆燕老师基于VDI2230规范Part1、Part2进行螺栓评估的步骤以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能讲解。

后续她还将分别从实例化的角度介绍螺栓设计评估的手动计算实例及软件（Bolt Assessmentinside ANSYS）计算实例，同时对比规范计算及软件计算的区别，欢迎感兴趣的朋友持续关注。

作者：王庆艳，安世中德工程师，仿真秀科普作者，车辆工程专业硕士学位，10多年的CAE行业技术服务、工程技术经验，参与了航空航天、电子、石油石化等多个行业的多个仿真咨询及开发项目，积累了大量工程仿真应用经验。目前同时负责基于FKM规范开发的静强度及疲劳强度评估工具、基于VDI2230规范开发的螺栓强度校核工具的相关技术工作。